陈爽爽　李鹏　张智　王超凡

摘要：城市地下空间利用日益呈现出深层化特点，开展城市环境下深层化探测技术研究对于保障城市地下空间开发和利用具有重要意义。在对被动源面波法基本原理介绍的基础上，分析了现有二维观测系统在城市地下空间深层化探测方面存在的不足，提出了一种长排列线性台站被动源面波观测系统。该观测系统具有探测深度大、布置灵活、工作效率高等特点。偏线噪声源水平分析及对比试验结果表明：城市环境下线性台阵被动源面波观测系统受偏线噪声源影响较小，能够有效地获取地下介质横波速度结构。工程应用结果表明：线性台阵被动源面波法在土石界面划分、隐伏地质构造探测方面具有较好的应用效果，在城市地下空间探测，尤其是深层化线性工程地下空间探测方面具有较好的应用前景。

关键词：被动源面波法; 线性台阵; 城市地下空间; 噪声源分析; 隐伏地质构造探测

中图法分类号： P315.9

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.013

0引 言

地下空间是城市基础设施、生活服务的重要载体[1]。随着城市的快速发展，地下空间利用呈现出深层化的特点，这对城市地下空间探测技术提出了新的要求[2]。

城市地下空间探测技术主要分为钻探和地球物理探测。钻探具有直观、可靠等特点，但成本较高，仅为“一孔之见”，并且城市环境施工场地易受限制，故而城市地下空间探测还是以地球物理探测技术为主。目前，城市地下空间探测采用的地球物理探测技术主要有：地质雷达法、高密度电法、纵波反射法、横波反射法、主动源面波法、被动源面波法等[3-8]。其中，被动源面波法因利用背景噪声信号，能较好地适应城市强振动、电磁干扰环境，受到越来越多的关注[9]。

目前，被动源面波法常用观测系统为圆形台阵（嵌套三角形），即在圆心处布设一个台站作为记录点，在不同半径圆周上布设多个台站进行组合观测，该观测系统能够记录来自所有方向的波，所得速度更接近面波真速度。但在城市地下空间探测中，地表建筑物密集，多重圆形台阵观测系统难以布设或仅能布设小型台阵，导致探测深度有限，另外该观测系统数据采集效率较低，不易开展大规模、高密度数据采集。针对城市地下空间探测深层化特点及现有被动源面波观测系统在城市环境下存在的不足，本文提出一种长排列线性台阵被动源面波观测系统，应用于深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程地下空间探测，验证了该观测系统的可行性和有效性。

1被动源面波基本原理

1.1被動源面波技术

自然界中的地壳运动、大气变化、海水潮汐变化、人类生产活动等会引起地球表面的微弱振动，这些振动的能量以波的形式向远处传播，其中能量传播的主要形式是面波，即称为被动源面波。在地表通过特定的观测系统记录被动源面波，并提取其中包含的频散信息，进而推断地下介质横波速度结构的方法称为被动源面波技术[10]。

被动源面波法的研究起始于20世纪50年代，Aki等基于平稳随机过程理论通过采用空间自相关法，首次从被动源面波中提取出频散曲线，用于测定覆盖层速度结构[11];Okada等将被动源面波法应用于地质结构调查、场地稳定性评价等领域[12];王振东等将被动源面波法引入到中国，系统介绍了其基本原理、数据采集和处理技术，并开展了试验工作[13-14];何正勤等利用被动源面波信息获得了地壳浅部的横波速度结构，用于指导地热钻孔布置[15];徐佩芬、赵东、刘宏岳等将被动源面波法应用于土石分界面划分、煤矿陷落柱、采空区探测、城市活断层调查、孤石探测等多个领域[16-19]。

2线性台阵观测系统及有效性分析

2.1观测系统

被动源面波常用的二维观测系统有圆形（嵌套三角形）台阵、“十”字形台阵、“T”形台阵、“L”形台阵等，如图1所示。二维观测系统台阵在城市环境下布设易受空间限制，且每次仅能进行单点数据采集，探测深度和工作效率大大受限，尤其在城市线性工程地下空间探测方面很难高效的进行高密度数据采集，导致其应用受限。

根据面波传播理论，当面波的传播方向与测线一致或当面波来自所有方向时，可以将式（4）对接收点方位角的积分调整为对波的传播方向进行积分，求取空间自相关系数，进而获得频散曲线。在城市地下空间探测中，测线一般沿道路布设，基本满足波的传播方向与测线一致，当测线未沿道路布设时，城市环境较丰富的噪声源也基本满足面波来自所有方向，这为采用线性台阵观测系统提供了基础。相较于二维观测系统，线性台阵观测系统可采用几十个台站进行滚动测量，一次实现多个勘探点数据采集，具有布置灵活、数据采集效率高等特点。此外，根据场地情况，每个滚动排列可在垂直测线方向上布设几个台站，用于记录偏线噪声源水平，必要时进行噪声源方位角校正。

图2为21个台站组成的长排列线性台阵被动源面波观测系统。22～25号台站用于记录偏线噪声源，当每个勘探点需要11个台站时，该排列一次可完成11个勘探点数据采集，一个排列数据采集完成后，将1～11号台站沿测线方向依次向前滚动，继续下一个排列数据采集。

2.2可行性及有效性分析

为了分析城市环境下线性台阵观测系统的偏线噪声源水平，布置了一个长度为200 m，台站间距为10 m的线性台阵，并垂直于台阵方向布置了5个台站，用于记录偏线噪声源。对该台阵分别采用SPAC法和PLAS法进行一维和二维成像[21]，并拾取对应的频散曲线，其中PLAS法利用了偏线台站数据。图3为两种成像方式对应的频散曲线。由图3可知，两种成像方式频散曲线一致性较高，仅在低频部分SPAC法成像所得速度略高于PLAS法，即城市环境下线性台阵观测系统受偏线噪声源影响较小，采用该观测系统获取地下介质横波速度结构具有可行性。

为了验证线性台阵观测系统的有效性，进行了圆形台阵和线性台阵对比试验。圆形台阵采用三重圆形式，半径依次为10，20，40 m，共布设了10个台站，其中圆心处1个，每个圆周上等距离布设3个。线性台阵采用16个台站，台站间距10 m，排列长度150 m，两种观测系统数据采集时间均为30 min。图4为两种观测系统频散谱图，由图4可知，两种观测系统频散谱能量分布、频率与速度的对应关系基本一致，低频部分圆形台阵频散谱能量集中区域连续性略优于线性台阵，但都可以有效地进行频散曲线拾取，即在该背景噪声下两种观测系统均能有效地获取地下介质横波速度结构。

3工程应用

以深圳市区罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程勘察为例，讨论与分析线性台阵被动源面波技术在城市地下空间探测中的应用效果。

3.1工程概况

深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为珠江三角洲水资源配置工程在深圳市境内的配套工程，线路全长约21.7 km，其中约11 km位于主城区，输水干线采用深埋隧洞形式，埋深约70 m，为减少对地表建筑物的影响，输水干线多沿道路布置。主城区线路多位于侵入岩地层，岩性以花岗岩为主，主要工程地质问题为断层破碎带、风化深槽等。

3.2数据采集与处理

本次线性台阵被动源面波数据采集采用深圳面元智能科技研制的IGU-BD3C-5型三分量节点式地震仪，频带宽度0.2～150 Hz。观测系统主要参数：台阵排列长度200 m，台站间距10 m，勘探点距10 m，采样率2 ms，采集时间30 min。为了高密度、快速进行数据采集，一次沿测线布置50个台站，即一次完成30个勘探点数据采集，单次数据采集完成后，将后30个台站向前滚动，继续进行数据采集。此外，每次数据采集均垂直于测线方向布置5个台站，用于记录偏线噪声源。

线性台阵被动源面波数据处理流程与二维观测系统基本一致，主要包括数据切割、频散曲线拾取、速度反演等。为了尽可能减少偏线噪声源对速度的影响，此次数据处理进行了偏线噪声源水平分析，即对同一排列利用偏线台站数据分别进行一维和二维成像，并拾取频散曲线，根据平均频散曲线差异百分比进行偏线噪声源水平分析，对平均频散曲线差异百分比大于10%的排列，进行噪声源方位角校正。平均频散曲线差异百分比按下式进行计算：

R=1NNi=1vpi-vsivpi×100%（5）

式中：N为频散点个数;vpi为第i个频散点对应的二维成像相速度;vsi为第i个频散点对应的一维成像相速度。

偏线噪声源水平分析结果表明，本次完成的3 052个线性台阵被动源面波数据，有2 808个平均频散曲线差异百分比小于10%，无需进行噪声源方位角校正。结合施工环境分析可知，平均频散曲线差异百分比大于10%的排列，多位于道路口附近，即噪声源一般来自两个方向，对此类排列可采用二维成像数据进行后续处理。

3.3成果分析

本文节选局部测线L1、L2对线性台阵被动源面波探测技术在城市地下空间探测中的应用效果进行分析，L1、L2测线位置如图5所示。

图6为L1测线视横波速度断面图。由图6可知：视横波速度由浅至深呈增大趋势，等值线成层性较好;测点11～17位置视横波速度横向发生变化，等值线呈“下凹”形态，结合区域地质资料，推断为断层破碎带。根据此探测成果，在15号测点位置，布置了Z17钻孔，对该异常区进行验证，钻孔揭露岩体完整性较差，并且碎裂岩发育，为区域断层影响带。

图7为L2测线视横波速度断面图。由图7可知：视横波速度由浅至深呈增大趋势，成层性较好;相较于L1测线，视横波速度整体偏低，为覆盖层（含全风化）较厚的反映;由于线性台阵排列长度较大，体积效应较强，致使深部视横波速度值偏低;测点9～17位置，视横波速度横向发生变化，等值线呈“下凹”形態。勘探钻孔D24位于12号测点位置，揭露花岗岩全风化层厚度约为69.2 m，即该低速异常区为风化深槽的反映。

4结 论

本文在分析被动源面波二维观测系统在城市地下空间探测中存在不足的基础上，提出了一种长排列线性台阵被动源面波观测系统。通过偏线噪声源水平分析、对比试验及工程应用，研究了其可行性和有效性，主要得出以下结论：

（1） 城市环境下线性台阵被动源面波观测系统受偏线噪声源影响较小，频散谱能量分布、频率与速度的对应关系与圆形台阵二维观测系统基本一致，可以有效地进行频散曲线拾取，获取地下介质横波速度结构。

（2） 长排列线性台阵被动源面波观测系统可以快速进行高密度数据采集，相较于二维观测系统单点数据采集方式，具有更高的工作效率。

（3） 线性台阵被动源面波观测系统在土石界面划分、隐伏地质构造探测等方面具有较好的应用效果，但受长排列观测方式的影响，体积效应较大，所得视横波速度与真横波速度之间存在系统误差。

（4） 线性台阵被动源面波观测系统在城市地下空间探测，尤其是深层化线性工程地下空间探测方面具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]张茂省，王益民，张戈，等.干扰环境下城市地下空间组合探测与全要素数据集[J].中国地质，2019，46（增2）：30-74.

[2]赵镨，姜杰，王秀荣.城市地下空间探测关键技术及发展趋势[J].中国煤炭地质，2017，29（9）：61-66，73.

[3]余浩.地质雷达在探测地下空间中的应用[D].成都：成都理工大学，2020.

[4]王轩.高密度电法在城市浅层地质勘察中的应用[J].黑龙江科技大学学报，2019，29（6）：763-766.

[5]刘远志，刘胜，李大虎，等.高分辨率反射波地震勘探在城市隐伏断裂探测中的应用：以成都天府新区苏码头断裂为例[J].大地测量与地球动力学，2019，39（9）：910-915.

[6]李建宁，胡泽安，丁美青，等.地震横波勘探在城市浅层地质调查中的应用[J].淮南职业技术学院学报，2017，17（1）：7-10.

[7]马岩，李洪强，张杰，等.雄安新区城市地下空间探测技术研究[J].地球学报，2020，41（4）：535-542.

[8]程逢.被动源面波勘探方法及其在城市地区的应用[D].武汉：中国地质大学，2018.

[9]徐佩芬，杜亚楠，凌甦群，等.微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究[J].地球物理学报，2020，63（10）：3857-3867.

[10]张建清，熊永红，李鹏.微动勘探技术在城市轨道交通勘察中的应用[J].人民长江，2016，47（1）：39-42.

[11]AKI K.Space and time spectra of stationary stochastic waves，with special reference to microtremor[J].Bull.Earthq.Res.Inst.，1957，35，415-456.

[12]OKADA H.The microtremor survey method，geophysical monograph series[J].Society of Exploration Geophysicists，2003（12）：1-5.

[13]王振东.微动的空间自相关法及其实用技术[J].物探与化探，1986（2）：123-133.

[14]冉伟彦，王振东.长波微动法及其新进展[J].物探与化探，1994（1）：28-34.

[15]何正勤，丁志峰，贾辉，等.用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构[J].地球物理学报，2007（2）：492-498.

[16]徐佩芬，李传金，凌甦群，等.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱[J].地球物理学报，2009，52（7）：1923-1930.

[17]赵东.被动源面波勘探方法与应用[J].物探与化探，2010，34（6）：759-764.

[18]徐佩芬，李世豪，杜建国，等.微动探测：地层分层和隐伏断裂构造探测的新方法[J].岩石学报，2013，29（5）：1841-1845.

[19]刘宏岳，黄佳坤，孙智勇，等.微动探测方法在城市地铁盾构施工“孤石”探测中的应用：以福州地铁1号线为例[J].隧道建设，2016，36（12）：1500-1506.

[20]程建设，李鹏.微动勘探技术在水库大坝隐患探测中的应用[J].人民长江，2017，48（3）：57-60.

[21]LIU Y，XIA J，CHENG F，et al.Pseudo-linear-array analysis of passive surface waves based on beamforming[J].Geophysical Journal International，2020，221：640-650.

（編辑：刘 媛）